ASIC을 이용한 PET용 디지털 신호처리와 데이터 획득 방법 : Digital signal processing and data acquisition methods for PET using readout ASIC
- 주제(키워드) PET , 멀티플렉싱 , 아날로그 프론트-엔드 , ASIC , FPGA , 디지털 신호처리 , 데이터 획득
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 최용
- 발행년도 2017
- 학위수여년월 2017. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 전자공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000061245
- 본문언어 한국어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권보호를 받습니다.
초록/요약
PET (Positron Emission Tomography) 은 시스템 개발 시 사용되는 검출기의 단위 면적당 출력 채널 수 증가로 인해 다채널 출력 신호를 처리하는 멀티플렉싱(multiplexing) 회로가 필요하다. PET 검출기 출력 신호는 아날로그 신호처리가 필요하며 이를 위해 아날로그 프론트-엔드 (AFE: Analog Front-End) 가 설계되어야 한다. 하지만 개별 소자를 바탕으로 구현된 기존의 아날로그 프론트-엔드는 크기가 크고 전력소모가 많다는 단점을 갖고 있다. PET 시스템 소형화를 위해 아날로그 프론트-엔드를 포함한 ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 이 개발되고 있으며 검출된 감마선의 에너지, 검출 시간 및 위치 정보를 획득하기 위해선 디지털 신호처리와 데이터 획득 방법이 필요하다. 이 연구의 목적은 ASIC 을 이용한 PET 용 디지털 신호처리와 데이터 획득 방법을 개발하는 것이다. 검출된 감마선의 정보를 획득하기 위해 디지털 신호처리와 데이터 획득 방법이 구현된 FPGA (Field Programmable Gate Array) 기반의 데이터 획득 보드가 제작되었으며 광센서의 다채널 출력을 처리하기 위해 DPC (Discretized Positioning Circuit) 가 설계되었다. 또한, 시스템 소형화를 위해 아날로그 프론트-엔드, ADC (Analog-to-Digital Converter) 및 TDC (Time-to-Digital Converter) 가 포함된 ASIC 이 개발되었다. PET 검출기 블록(block)은 4 × 4 배열형 3 mm × 3 mm × 20 mm LYSO (Lutetium-Yttrium Oxyorthosilicate) 4 개와 4 × 4 배열형 3 mm × 3 mm SiPM 4 개로 구성하였으며 출력된 64 개의 아날로그 신호는 검출 위치 판별을 위해 DPC 에 전달되었다. 전치증폭기(preamplifier) 4 개, PDH (Peak Detect and Hold) 회로 4 개, cyclic ADC (11 bit, 4 MS/s) 4 개, 비교기(comparator) 2 개, TDC (11 bit, 4 MS/s) 및 제어 인터페이스(control interface)로 구성된 ASIC 은 DPC 에서 출력된 4 개의 아날로그 신호를 전달받아 검출된 감마선의 정보를 디지털화하여 데이터 획득 보드로 전달하였다. 데이터 획득 보드는 역직렬화(deserialization), 기준선 보정(baseline correction), 피크 검출, 타임스탬프(time stamp) 생성, 이벤트 패킷(event packet) 생성 및 USB 3.0 통신을 이용하여 전달된 디지털 신호로부터 LMF (List Mode Format) 데이터를 획득하였다. Na-22 점선원(point source)과 FDG (FluoroDeoxy Glucose) 가 주입된 hot sphere 팬텀(phantom)을 이용하여 ASIC 을 이용한 PET 가능성 평가를 진행하였다. 플러드 영상은 PET 검출기 블록의 64 개 픽셀이 모두 명확하게 구분됨을 보였고 평균 에너지 분해능은 에너지 스펙트럼을 통해 18.6% (FWHM: Full Width at Half Maximum) 로 측정되었다. 시간 분해능은 타임 스펙트럼을 통해 4.9 ns (FWHM) 로 측정되었으며 hot sphere 팬텀의 재구성 영상은 지름이 3 mm 이상인 로드들이 정확히 구분됨을 보였다. PET 가능성 평가 결과를 통해 설계된 DPC 와 개발된 ASIC 이 PET 개발에 유용할 것으로 기대되며 구현된 디지털 신호처리와 데이터 획득 방법이 ASIC 을 이용한 PET 에 적용 가능할 것으로 판단된다.
more초록/요약
A positron emission tomography (PET) system needs a multiplexing circuit to process a large number of detector readout channels. An analog front-end (AFE) must be designed for the analog signal processing of the PET detector output signals. However, the conventional AFE based on individual devices has disadvantages of the large size and high power consumption. To minimize the PET system, a readout application specific integrated circuit (ASIC) including AFE is being developed. Digital signal processing and data acquisition methods are needed to acquire energy, time, and position information of an interacted gamma ray. The purpose of this study was to develop digital signal processing and data acquisition methods for PET using the readout ASIC. A field programmable gate array (FPGA) based data acquisition board was designed to obtain the information of the interacted gamma ray by implementing digital signal processing and data acquisition methods. A discretized positioning circuit (DPC) was designed to process the multichannel readout of the PET detector. Also, the readout ASIC including the analog front-end, an analog-to-digital converter (ADC), and a time-to-digital converter (TDC) was developed to minimize the PET system. PET detector blocks were composed of four 4 × 4 arrays of 3 × 3 × 20 mm3 LYSO and four 4 × 4 arrays of 3 × 3 mm2 SiPM. 64 output signals from the detector block were processed by DPC to determine gamma event position. 4 output signals of DPC were transferred to the readout ASIC. The readout ASIC consisted of 4 preamplifiers, 4 peak-detect-hold (PDH) circuits, 4 cyclic ADCs(11 bit, 4 MS/s), 2 comparators, a vernier TDC(11 bit, 4 MS/s), and a control interface. The readout ASIC digitized the information of the interacted gamma ray and transmitted it to the data acquisition board. The data acquisition board processed digital signals and acquired an LMF (List Mode Format) data using deserialization, baseline correction, peak detection, time stamp generation, event packet generation, and USB 3.0 communication. The feasibility of PET using the readout ASIC was evaluated using a Na-22 point source and a hot sphere phantom filled with fluorodeoxy glucose (FDG). An acquired flood image showed that all 64 crystal pixels of the PET detector block could be clearly resolved. The average energy resolution and timing resolution were 18.6% (FWHM: Full Width at Half Maximum) and 4.9 ns (FWHM), respectively. The hot sphere phantom image showed that the rods could be resolved down to a diameter of 3 mm. The results of this study demonstrated that the designed DPC and developed readout ASIC would be useful for the development of PET and implemented digital signal processing and data acquisition methods could be applied to PET using the readout ASIC.
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